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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserprojektor mit einer Laserlichtquelle zum Erzeugen eines Projektionslaserstrahls im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der Laserprojektor weist eine zum Ablenken des Projektionslaserstrahls angeordneten Ablenkeinheit auf. Mittels der Ablenkeinheit kann der Projektionslaserstrahl auf eine Projektionsoberfläche zur Darstellung von Grafiken oder in den freien Raum zur Erzeugung von Strahleneffekten projiziert werden. Speziell bei der Erzeugung von Strahleneffekten können Zuschauer beabsichtigt oder unbeabsichtigt durch den Projektionslaserstrahl bestrahlt werden.
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Solche Laserprojektoren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Laserprojektor zu schaffen, der die Grundlage für einen sicheren Betrieb schafft, insbesondere im Falle der Bestrahlung von Zuschauern.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Laserprojektor eine Messlaserquelle aufweist, deren Messlaserstrahl kollinear in einen Strahlengang des Projektionslaserstrahls eingekoppelt ist, so dass der Projektionslaserstrahl und der Messlaserstrahl auf eine gemeinsame Projektionsoberfläche projiziert werden können. Der Messlaserstrahl kann beispielsweise mittels eines dichroitischen Kombinierers oder mittels eines anderen Laserstrahlkombinierers in den Projektionslaserstrahl eingekoppelt sein. Vorzugsweise weisen der Projektionslaserstrahl und der Messlaserstrahl eine ähnliche oder identische Strahlqualität auf.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Messlaserstrahl, der kollinear in den Strahlengang des Projektionslaserstrahls eingekoppelt ist und dadurch im Betrieb auf die gleiche Projektionsoberfläche wie der Projektionslaserstrahl trifft, für sicherheitsrelevante Funktionen verwendet werden. So beispielsweise für eine Distanzermittlung zwischen Laserprojektor und Projektionsoberfläche und, darauf aufbauend, beispielsweise für eine Steuerung der Laserlichtquelle.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Laserprojektor einen TOF-Sensor zum Erfassen einer von der Projektionsoberfläche ausgehenden Reflektion des Messlaserstrahls auf. Der TOF-Sensor und eine den Messlaserstrahl erzeugende Messlaserquelle sind vorzugsweise mit einer gemeinsamen Ansteuerelektronik verbunden. Die Ansteuerelektronik dient zur Ermittlung einer Distanz zwischen Laserprojektor und Projektionsoberfläche.
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Vorzugsweise ist der TOF-Sensor als 8x8 Pixel CCD Array ausgebildet. Der TOF-Sensor weist vorzugsweise eine maximale Sensitivität im Bereich von etwa 850 nm auf. Andere Sensoren zum Erfassen einer von der Projektionsoberfläche ausgehenden Reflexion des Messlaserstrahls können zusätzlich oder alternativ zum TOF-Sensor zum Einsatz kommen.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der TOF-Sensor ortsfest an oder in einem Gehäuse des Laserprojektors angeordnet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Messlaserquelle und/oder der TOF-Sensor redundant vorgesehen. Somit kann eine Betriebssicherheit des Laserprojektors weiter erhöht werden.
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Der Laserprojektor kann einen Prozessor aufweisen, der ausgebildet ist, aus der ermittelten Distanz einen maximal zulässigen Bestrahlungswert der Laserlichtquelle zu ermitteln. Dazu kann im Prozessor beispielsweise eine Rechenvorschrift hinterlegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann dazu im Prozessor ein Lookup-Tabelle hinterlegt sein, in der beispielsweise einer Distanz in Metern ein maximal zulässiger Bestrahlungswert (Ws/m2 gemäß IEC-60825) zugeordnet ist.
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Vorzugsweise beträgt der höchste maximal zulässige Bestrahlungswert weniger als 10 Ws/m2, vorzugsweise weniger als 5 Ws/m2.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Laserprojektor eine Leistungssteuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, die Laserlichtquelle in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz anzusteuern. Verschiedene Betriebsmodi sind denkbar. Die Leistungssteuereinheit kann ausgebildet sein die Laserlichtquelle erst nach Ermittlung der Distanz einzuschalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungssteuereinheit ausgebildet sein die Laserlichtquelle zunächst mit geringer Ausgangsleistung und nach Ermittlung der Distanz mit einer höheren Ausgangsleistung anzusteuern, vorzugsweise sofern eine solche höhere Ausgangsleistung einen der ermittelten Distanz zugeordneten maximal zulässigen Bestrahlungswert nicht überschreitet.
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Die Leistungssteuereinheit kann ausgebildet sein, in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz, die Laserlichtquelle mit dem maximal zulässigen Bestrahlungswert als Führungsgröße zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserprojektor ausgebildet sein einen Bestrahlungswert des Projektionslaserstrahls durch Verändern der Strahlqualität des Projektionslaserstrahls zu regeln oder zu steuern. Ein Verändern der Strahlqualität kann durch eine Strahlformeinrichtung, beispielsweise in Form einer im Strahlengang des Projektionslaserstrahls angeordneten elektrisch verstellbaren Linse, erfolgen.
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Der Laserprojektor kann eine Strahlformeinheit aufweisen, die ausgebildet ist, die Strahlqualität des Projektionslaserstrahls in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz zu verändern. Tritt also beispielsweise während einer Lasershow ein unerwartetes Ereignis, wie z. B. eine Verringerung der Distanz zwischen Laserprojektor und Projektionsfläche auf, so kann durch Erhöhen der Strahldivergenz des Projektionslaserstrahls mittels der Strahlformeinheit dynamisch auf den dann erforderlichen Bestrahlungswert angepasst werden. Vorteilhafterweise kann so beispielsweise auf ein Abschalten oder eine elektrische Leistungsdrosselung der Laserlichtquelle verzichtet werden. Andererseits kann der Laserprojektor vorteilhafterweise stets sicher mit dem maximal zulässigen Bestrahlungswert betrieben werden.
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Der Laserprojektor kann ausgebildet sein den Projektionslaserstrahl, unabhängig von der durch die Ansteuerelektronik ermittelten Distanz, mit einer vorgegebenen Mindestausgangsleistung und/oder einer vorgegebenen Maximaldivergenz auszugeben. Der Laserprojektor kann ausgebildet sein, wenn und/oder solange eine vorgegebene Mindestdistanz die von der Ansteuerelektronik ermittelte Distanz überschreitet, den Projektionslaserstrahl unabhängig von der durch die Ansteuerelektronik ermittelten Distanz zu steuern. So kann, beispielsweise ab einer vorgegebenen Distanz von 300 m, vorgesehen sein, dass der Projektionslaserstrahl mit einer maximalen Ausgangsleistung und/oder einer minimalen Divergenz ausgegeben wird. Dies kann beispielsweise bei einem schnellen Wechsel von einer Nahprojektion hin zu einer Projektion in den freien Raum vorteilhaft sein.
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Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Laserprojektor einen Datenlogger aufweist, der ausgebildet ist, eine momentan ermittelte Distanz und/oder eine momentane Ausgangsleistung der Laserlichtquelle aufzuzeichnen. Die vom Datenlogger aufgezeichneten Daten können zum einen für eine technische Optimierung des Laserprojektors herangezogen werden. Zum anderen ist eine Auswertung der vom Datenlogger aufgezeichneten Daten zu versicherungstechnischen Zwecken denkbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, liegt die Wellenlänge des Messlaserstrahls im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, vorzugsweise im Infrarotbereich. Vorzugsweise ist die Wellenlänge des Messlaserstrahls länger als 780 nm.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung liegt eine Ausgangsleistung der Messlaserquelle wenigstens eine Größenordnung unter einer Ausgangsleistung der Laserlichtquelle. Dies sei insbesondere auf eine Nominalausgangsleistung bezogen.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn wenigstens zwei Laserlichtquellen verschiedener Wellenlänge vorgesehen sind, die gemeinsam den Projektionslaserstrahl erzeugen. Vorzugsweise sind wenigstens drei Laserlichtquellen verschiedener Wellenlänge vorgesehen, die gemeinsam den Projektionslaserstrahl erzeugen. Besonders bevorzugt ist die Laserlichtquelle als R-G-B-Laserlichtquelle ausgebildet. Bevorzugte diskrete Wellenlängen einer Laserlichtquelle sind beispielsweise 639 nm, 638 nm, 590 nm, 577 nm, 532 nm, 488 nm, 480 nm, 460 nm sowie 445 nm.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserprojektor ausgebildet mittels des Messlaserstrahls die Projektionsoberfläche zu vermessen. Die so ermittelten Vermessungsdaten können beispielsweise für eine Projektionskorrektur verwendet werden. Eine Projektionskorrektur ist typischerweise erforderlich wenn die Projektionsoberfläche Unebenheiten aufweist und oder der Laserprojektor nicht ideal zu der Projektionsoberfläche positioniert ist, also beispielsweise bezüglich dieser verkippt ist.
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Der Laserprojektor kann ausgebildet sein aus dem Vermessungsdatensatz einen Korrekturdatensatz zur entsprechenden Ansteuerung der Ablenkeinheit zu erzeugen. Somit kann beispielsweise eine Trapezkorrektur erfolgen. Der Laserprojektor kann eine inertialen Messeinheit, beispielsweise einen Gyrosensor, zur Nachführung und/oder Korrektur der Ablenkeinheit aufweisen.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn im Laserprojektor Steuerdaten für die Ablenkeinheit und/oder die Laserlichtquelle hinterlegt sind, wobei die Steuerdaten wenigstens eine Sicherheitszone definieren. Vorzugsweise wird außerhalb der Sicherheitszone die Laserlichtquelle unabhängig von der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz angesteuert. Die Sicherheitszone kann beispielsweise durch einen Austrittswinkelbereich des Projektionslaserstrahls definiert sein. Der Winkelbereich kann beispielsweise symmetrisch sein, d.h. beispielsweise eine Auslenkung des Projektionslaserstrahls um 30° bezogen auf eine Austrittsnormale. In diesem Fall würde sich ein regelmäßiger Kreiskegel ergeben. Bezogen auf eine Sicherheitszone könnte dies bedeuten, dass der Projektionslaserstrahl, sofern er sich in diesem Kreiskegel befindet, in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz angesteuert wird. Außerhalb dieses Kreiskegels könnte einer Ansteuerung des Projektionslaserstrahls ohne Berücksichtigung der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz erfolgen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das Beispiel des Kreiskegels an dieser Stelle nur exemplarisch zu sehen ist. So sind beispielsweise auch ein oder mehrere Sicherheitszonen denkbar, die unregelmäßig kegelförmig oder dergleichen definiert sind. Mehrere Sicherheitszonen können einander überlappen.
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Der Laserprojektor kann mit einem Bildsensor zur Objekterkennung ausgestattet sein. Der Laserprojektor kann ausgebildet sein, dass die Laserlichtquelle in Abhängigkeit eines von dem Bildsensor detektierten Objekts gesteuert wird.
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Der Laserprojektor kann eine Stelleinrichtung aufweisen mittels derer eine Abweichung der Kollinearität zwischen Projektionslaserstrahl und Messlaserstrahl kompensiert werden kann. Vorzugsweise wirkt die Stelleinrichtung auf den Strahlkombinierer über den der Messlaserstrahl kollinear in den Projektionslaserstrahl eingekoppelt wird.
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Unter sichtbaren Wellenlängenbereich soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 780 nm, insbesondere zwischen 405 nm und 670 nm verstanden werden.
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Die Aufgabe führt ebenfalls zu einem erfindungsgemäßen Laserprojektionsverfahren bei dem ein Projektionslaserstrahls im sichtbaren Wellenlängenbereich auf eine Projektionsoberfläche projiziert wird und ein Messlaserstrahl kollinear in einen Strahlengang des Projektionslaserstrahls eingekoppelt wird, so dass der Projektionslaserstrahl und der Messlaserstrahl auf eine gemeinsame Projektionsoberfläche projiziert werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine von der Projektionsoberfläche ausgehende Reflektion des Messlaserstrahls erfasst wird und daraus eine Distanz zur Projektionsoberfläche ermittelt wird. Besonders bevorzugt wird eine Ausgangsleistung der Laserlichtquelle auf Basis der ermittelten Distanz gesteuert. Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens der Messlaserstrahl zum Vermessen der Projektionsoberfläche verwendet. Besonders bevorzugt ist im Rahmen des Verfahrens wenigstens eine Sicherheitszone definiert wird außerhalb derer die Laserlichtquelle unabhängig von der von der Ansteuerelektronik ermittelten Distanz angesteuert wird.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Distanzmessung kontinuierlich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch Merkmale die mit Bezug auf den Laserprojektor beschrieben wurden in entsprechender Weise weitergebildet sein, und umgekehrt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Figuren erläutert. Diese zeigen in:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Laserprojektors;
- 2 den Laserprojektor der 1 mit eingezeichneter Sicherheitszone; und
- 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Laserprojektionsverfahrens.
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1 zeigt einen Laserprojektor 100. Der Laserprojektor 100 ist als Farblaserprojektor ausgestattet mit genau drei Laserlichtquellen 10, 20, 30 zum Erzeugen eines gemeinsamen Projektionslaserstrahls 1 im sichtbaren Wellenlängenbereich.
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Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Projektionslaserstrahl 1 drei diskrete Wellenlängen auf. Dabei erzeugt die erste Laserlichtquelle 10 einen roten Laserstrahl R mit einer Wellenlänge von 638 nm. Die zweite Laserlichtquelle 20 erzeugt einen grünen Laserstrahl G mit einer Wellenlänge von 520 nm. Die dritte Laserlichtquelle 30 erzeugt einen blauen Laserstrahl B mit einer Wellenlänge von 445 nm. Somit sind genau drei Laserlichtquellen 10, 20, 30 mit voneinander verschiedenen Wellenlänge vorgesehen. Zum Zusammenführen der drei Laserstrahlen R, G, B zu dem Projektionslaserstrahl 1 sind drei Laserstrahlkombinierer 11, 12, 13 im Gehäuse 110 des Laserprojektors 100 angeordnet.
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Der Laserprojektor 100 ist ausgestattet mit einer zum Ablenken des Projektionslaserstrahls 1 angeordneten Ablenkeinheit 50. Die Ablenkeinheit 50 wird durch eine Ablenksteuereinheit 55 angesteuert.
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Der Laserprojektor 100 weist eine Messlaserquelle 40 auf, die einen Messlaserstrahl 3 erzeugt, welcher im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wellenlänge von 850 nm, d.h. eine Wellenlänge im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich aufweist.
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Der Laserprojektor 100 weist einen vierten Laserstrahlkombinierer 14 auf, über der Messlaserstrahl 3 kollinear in einen Strahlengang 1' des Projektionslaserstrahls 1 eingekoppelt ist. Wie der 1 entnommen werden kann, werden der Projektionslaserstrahl 1 und der Messlaserstrahl 3 auf eine gemeinsame Projektionsoberfläche 200 projiziert. Da der Projektionslaserstrahl 1 und der Messlaserstrahl 3 eine identische Strahlqualität aufweisen werden sie auf einen gemeinsamen Projektionspunkt 201 der Projektionsoberfläche 200 projiziert.
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Der Projektionslaserstrahl 1 und der kollinear eingekoppelte Messlaserstrahl 3 verlassen das Gehäuse 110 des Laserprojektors 100 durch eine Gehäuseöffnung 120, die beispielsweise eine Projektionslinse sein kann oder eine solche aufweisen kann.
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Wie ebenfalls der 1 entnommen werden kann, verfügt der Laserprojektor 100 über einen TOF-Sensor 60 (Time-of-Flight-Sensor) zum Erfassen einer von der Projektionsoberfläche 200 ausgehenden Reflektion 3' des Messlaserstrahls 3. Der TOF-Sensor 60 ist ortsfest an dem Gehäuse 110 des Laserprojektors 100 angeordnet.
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Der TOF-Sensor 60 und eine den Messlaserstrahl 3 erzeugende Messlaserquelle 40 sind mit einer gemeinsamen Ansteuerelektronik 70 zur Ermittlung einer Distanz D zwischen Laserprojektor 100 und Projektionsoberfläche 200 verbunden. Der Messlaserstrahl 3 wird gepulst betrieben. Die Laufzeit eines Messlaserpulses ist proportional zur Distanz D.
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Der Laserprojektor 100 weist ebenfalls einen Prozessor 80 auf, der ausgebildet ist, aus der ermittelten Distanz D einen maximal zulässigen Bestrahlungswert MZB der Laserlichtquellen 10, 20, 30 zu ermitteln.
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Auch umfasst vom Laserprojektor 100 ist eine Leistungssteuereinheit 90, die ausgebildet ist, die Laserlichtquellen 10, 20, 30 in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik 70 ermittelten Distanz D anzusteuern. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Laserlichtquelle 10, 20, 30 erst nach Ermittlung der Distanz D eingeschaltet werden.
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Wird beispielsweise durch eine externe Lasershowsteuerung 300, die mit dem Laserprojektor 100 verbunden ist, eine Ausgangsleistung der Laserlichtquellen 10, 20, 30 von beispielsweise 80% ihrer Nominalleistung angefordert, so wird zunächst mittels des Messlaserstrahls 3 und TOF-Sensors 60 die Distanz D zwischen Laserprojektor 100 und Projektionsoberfläche 200 ermittelt und aus der ermittelten Distanz D ein maximal zulässiger Bestrahlungswert MZB der Laserlichtquellen 10, 20, 30 ermittelt. Würde, beispielsweise bei der 80% Anforderung durch die externe Lasershowsteuerung 300, der maximal zulässiger Bestrahlungswert MZB der Laserlichtquellen 10, 20, 30 überschritten, werden aus Sicherheitsgründen die Laserlichtquellen 10, 20, 30 nicht angesteuert. Alternativ ist eine gedrosselte Ansteuerung der Laserlichtquellen 10, 20, 30 denkbar, beispielsweise mit 50% ihrer Nominalleistung, sofern der maximal zulässige Bestrahlungswert MZB nicht überschritten ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungssteuereinheit 90 ausgebildet sein in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik 70 ermittelten Distanz D die Laserlichtquellen 10, 20, 30 mit dem maximal zulässigen Bestrahlungswert MZB als Führungsgröße zu regeln.
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Der Laserprojektor 100 im Ausführungsbeispiel der 1 ist ebenfalls ausgestattet mit einer Stelleinrichtung 45 mittels der eine Abweichung der Kollinearität zwischen Projektionslaserstrahl 1 und Messlaserstrahl 3 kompensiert werden kann. Des Weiteren verfügt der Laserprojektor 100 über eine inertialen Messeinheit 115 in Form eines Gyrosensors auf Basis dessen die Ablenkeinheit 50 nachgeführt und korrigiert werden kann.
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2 zeigt nun den Laserprojektor der 1 mit eingezeichneter Sicherheitszone SB.
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In der Ablenksteuereinheit 55 sind Steuerdaten SD für die Ablenkeinheit 50 hinterlegt, die die Sicherheitszone SB definieren. Die Ansteuerelektronik 70 ist eingerichtet, dass, wenn der Projektionslaserstrahl 1 außerhalb der Sicherheitszone SB auf die Projektionsoberfläche 200 trifft bzw. treffen würde, die Laserlichtquellen 10, 20, 30 unabhängig von der von der Ansteuerelektronik 70 ermittelten Distanz D angesteuert werden.
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Vorliegend ist die Sicherheitszone SB beispielhaft durch einen Austrittswinkelbereich W des Projektionslaserstrahl 1 definiert. Der Austrittswinkelbereich W ist symmetrisch bezogen auf eine Austrittsnormale N des Laserprojektors. Der die Austrittsnormale N des Laserprojektors 100 ideal senkrecht zur Projektionsoberfläche 200 steht, ergibt sich ein regelmäßiger Kreiskegel als Sicherheitszone SB. Der Projektionslaserstrahl 1 wird, da er sich vorliegend in diesem Kreiskegel befindet, in Abhängigkeit der von der Ansteuerelektronik 70 ermittelten Distanz D angesteuert.
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3 zeigt nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Laserprojektionsverfahrens. Aus Klarheitsgründen wird der zweite Schritt S2 vor dem ersten Schritt S1 beschrieben.
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In einem zweiten Schritt S2 wird mittels einer Laserlichtquelle ein Projektionslaserstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugt und auf eine Projektionsoberfläche projiziert. In einem ersten Schritt S1 wird ein Messlaserstrahl kollinear in einen Strahlengang des Projektionslaserstrahls eingekoppelt. Somit können der Projektionslaserstrahl und der Messlaserstrahl auf eine gemeinsame Projektionsoberfläche projiziert werden.
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In einem dritten Schritt S3 wir eine von der Projektionsoberfläche ausgehende Reflektion des Messlaserstrahls erfasst, vorzugsweise mittels eines TOF-Sensors, und daraus eine Distanz zur Projektionsoberfläche ermittelt.
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In einem vierten Schritt S4 wird eine Ausgangsleistung der Laserlichtquelle auf Basis der ermittelten Distanz gesteuert.
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Vorzugsweise wird das Verfahren kontinuierlich ausgeführt. Dies ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Projektionslaserstrahl
- 1'
- Strahlengang des Projektionslaserstrahls
- 10, 20, 30
- Laserlichtquelle
- 11, 12, 13, 14
- Strahlkombinierer
- 40
- Messlaserquelle
- 45
- Stelleinrichtung
- 50
- Ablenkeinheit
- 55
- Ablenksteuereinheit
- 60
- TOF-Sensor
- 70
- Ansteuerelektronik
- 80
- Prozessor
- 90
- Leistungssteuereinheit
- 100
- Laserprojektor
- 110
- Gehäuse
- 115
- inertiale Messeinheit
- 120
- Gehäuseöffnung
- 200
- Projektionsoberfläche
- 201
- Projektionspunkt
- 300
- Lasershowsteuerung
- D
- Distanz
- MZB
- maximal zulässiger Bestrahlungswert
- N
- Austrittsnormale
- S1.. S4
- Verfahrensschritte
- SB
- Sicherheitszone
- SD
- Steuerdaten
- W
- Austrittswinkelbereich
